[發明專利]一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器

在審

• 申請號: 202110786036.7
• 申請日: 2021-07-12
• 公開（公告）號: CN113530523A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 鄭貴強;朱雪征;王雷鋒;牛芩濤;李小明;朱權潔;李飛
• 申請（專利權）人: 華北科技學院(中國煤礦安全技術培訓中心）
• 主分類號: E21B47/00
• 分類號: E21B47/00;E21B47/06;E21B47/07;E21B47/12;E21B49/00;E21B15/00;E21B19/00;E21B44/00;E21B17/00;E21C39/00
• 代理公司: 西安碩大知識產權代理事務所(普通合伙) 61283
• 代理人: 楊哲

1.一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器，其特征在于，包括地面上的提升系統、鉆塔、動力系統、傳動系統和控制系統，以及地面以下的鉆桿、隨鉆儀器設備、柔性連接器和鉆頭；

所述提升系統、動力系統、傳動系統和控制系統安裝在鉆塔上；

所述動力系統與鉆桿一端連接，鉆桿另一端通過柔性連接器連接鉆頭，所述鉆桿底部設置有隨鉆儀器設備。

所述提升系統用于起下鉆、換鉆頭、均勻送鉆；

所述動力系統用于驅動起升、旋轉和循環；

所述傳動系統用于聯結動力機與工作機組，并將動力傳遞到各工作機組；

所述控制系統用于發動機的啟動、停車、變速和并車等，絞車、轉盤、泥漿泵等工作機組的啟動、停車、調速和換向。

2.根據權利要求1所述的一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器，其特征在于，所述隨鉆儀器設備放置于鉆頭的前方位置，所述隨鉆儀器設備包括信息傳輸機構、隨鉆聲波、中子伽馬密度、測溫度和壓力機構、孔隙度測定、元素錄井和隨鉆地震測量；

所述隨鉆儀器設備最頂端為信息傳輸設備，信息傳輸設備包括傳感器、執行機構、處理器和信息存儲、中控模塊；

所述傳感器用于傳輸井下各類信號；所述執行機構用于執行操作指令；所述處理器用于處理各種信號和操作指令；所述信息存儲用于存儲井下收集的各類信息數據；所述中控模塊用于對各類信號進行集中控制。

3.根據權利要求2所述的一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器，其特征在于，所述信息傳輸設備下部連接隨鉆聲波測量設備，所述隨鉆聲波測量設備包括接收器和發射器；

所述接收器用于接收井下隨鉆信號；所述發射器用于發射井下隨鉆信號。

4.根據權利要求2所述的一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器，其特征在于，所述信息傳輸設備下部連接中子伽馬密度測量設備，中子伽馬密度測量設備包括中子源和探測器；

所述中子源用于發射高能中子；所述探測器用于進行放射的中子進行計數。

5.根據權利要求4所述的一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器，其特征在于，所述中子伽馬密度測量設備下部連接中子孔隙度測量設備，中子孔隙度測量設備包括中子發生器、中子輸出檢測頭、屏蔽器和測量器；

所述中子發生器用于向地層發射中子；所述中子輸出檢測頭用于檢測輸出的中子數量；所述屏蔽器用于屏蔽反射回來的中子；所述檢測器用于檢測地層中中子的數量；

中子孔隙度測量設備下部連接測溫度和壓力設備，測溫度和壓力設備包括測溫度元件、電子模塊、測壓力元件；

所述測溫度元件用于測量井下溫度；所述電子模塊用于接受由交流電整合成的直流電；所述測壓力元件用于測量井下壓力。

6.根據權利要求2所述的一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器，其特征在于，溫度和壓力設備下部連接元素錄井設備，元素錄井設備包括高壓電源、放大器和多道脈沖分析器；

所述高壓電源用于提供高壓電源來源；所述放大器用于對檢查的信號進行放大處理；所述多道脈沖分析器用于有效分析巖石元素的差異性，從而有效識別地層。

7.根據權利要求2所述的一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器，其特征在于，所述隨鉆儀器設備最下端為隨鉆地震設備，隨鉆地震設備包括彈性檔圈、導流體、葉輪、自激振蕩腔室、噴嘴和上下接母頭，上下接母頭分別位于隨鉆地震設備兩端，用于連接各部件與隨鉆設備；彈性擋圈位于隨鉆設備上端，下接導流體和葉輪，葉輪放置于葉輪座上；下部設有自激震蕩腔室和自激震蕩噴嘴，用于產生和釋放震動力。

8.基于權利要求1-7任一項所述的一種煤層氣鉆探的隨鉆儀器的使用方法，其特征在于，包括以下主要步驟和內容；

在使用過程中，隨著鉆探深度的不斷進尺，同步傳輸井下各種信息數據到地表，在地面的儀器設備進行井下包括巖性、孔隙度、滲透率、溫度、壓力、元素和地層壓力等各信息數據的處理和分析，從而進行實施鉆井作業決策和處理；

信息傳輸系統為鉆井過程中循環液井下發電機依靠鉆井液的循環動力發電，整流模塊把發電機產生的電流整流成直流電，再供給其它模塊；其它部分把數據發送給井下微機構處理，以電脈沖信號驅動脈沖發生器的閥來產生鉆柱內鉆井液壓力脈沖，將鉆井液脈沖數據上傳到地表；地面信息接收處理系統通過立壓傳感器采集鉆井液脈沖信號，給過檢波、濾波處理盒進行識別和處理，濾掉澡聲和干擾，發送給解碼電腦。解碼軟件以組合碼的通信協議對上傳的鉆井液脈沖數據進行解碼，并把解碼后的數據按照特定串口的協議發送給數據還原盒，對數據進行還原；還原后的信號再通過壓力計解碼盒發送給能實時顯示壓力、溫度的電腦，實現信息實時顯示；

隨鉆聲波測量采用遠發射器和近發射器，二者在鉆鋌軸向有一定的間距，測井時，遠發射器首先激發，發射幅度為A1，近發射器延時一段時間之后激發，發射極性與遠發射器相反，發射幅度為A2。在雙源發射的同時，對接收器陣列上的信號進行采集并記錄，通過選擇合適的參數A1、A2及間隔時間，使得在接收器的位置上遠發射器和近發射器所激發的二外鋌波同時到達，但極性相反、幅度相當，這樣，接收波形中的鉆鋌波相互疊加后相消，即鉆鋌波得到壓制，而對于接收波形中遠發射器和近發射器產生的地層信號，只要地層波和鉆鋌波速度存在差異，其到達接收器時間就不一致，相互疊加后仍能保留，相對于鉆鋌波，地層波就得到了增強，可以實時測量地層的縱波、橫波速度，預測地層孔隙壓力；

中了伽馬密度測量：脈沖中子源發射高能中子，在目標地層中激發次生伽馬射線，攜帶地層信息的次生伽馬射線被探測器探測到，從而求出地層密度，伽馬探測器的計數主要來源于快中子衰減和次生伽馬射線衰減，因為中子源到次生伽馬射線激發點的距離以及伽馬激發點到探測器的距離都比較遠，快中子和伽馬衰減(二者都是指數函數)的影響與伽馬生產截面(線性函數)相比，對測量結果作用更大，通過對產生非彈性伽馬射線的快中子進行補償，就可以測量地層密度；

中子孔隙度:通過安裝在無磁鉆鋌上的可控中子源向地層中發射中子，其發射的中子粒子進入地層，和地層中的氫原子發生碰撞產生熱中子，通過與可控中子發射源相距不同的兩個熱中子測量探頭測量經過地層減速后散射回來的熱子，兩個探測器測量到的熱中子計數率的比值來反應地層孔隙度，并通過相應電路記錄在井下存儲器中，隨著鉆井鉆進過程進行，隨鉆中子孔隙度測量裝置也經過各個不同孔隙度的地層，這樣可測量并記錄下鉆井過程中經過的所有地層的孔隙度情況，孔隙度是儲層評價的重要參數之一，為油和氣的開發方案的選擇提供必要的依據；

測溫度、壓力:將儀器按鉆具組合接在鉆柱中,下入井內,井下發電機依靠鉆井液的循環動力發電,整流模塊把發電機產生的交流電整流成穩態直流電，再供給電子模塊；壓力溫度測量模塊實時測量井下鉆柱內外的壓力、溫度，并把數據發送給井下編碼模塊,井下編碼模塊對數據進行處理后發送給中控模塊。根據隨鉆鉆井液循環當量密度變化，實現井下壓力和地層壓力差值的精確控制，為鉆井液密度的設計和欠平衡鉆井井下負壓控制提供依據；

隨鉆地震:鉆頭隨鉆地震采用鉆頭破巖時產生的振動作為井下震源，通過安裝在井架和鉆桿頂部的傳感器采集由鉆桿傳送上來的鉆頭振動信號，針對鉆頭隨鉆地震技術震源能量弱，信噪比低的問題，將水力脈沖鉆井技術和沖擊振動鉆井技術結合，增強震源的沖擊力和強度，在提高了破巖效率的同時，增加震源的能量，水力脈沖鉆井技術在井底產生脈沖沖擊和瞬時負壓，局部瞬時欠平衡，改變巖石受力狀態使巖石易破，提高破巖效率和機械鉆速，同時作為隨鉆地震的震源，產生的地震波被檢測器過濾篩選后，經過處理形成地震勘探圖，用來查明地質構造；

元素錄井:不同巖性的巖石所含的礦物成分及各礦物含量不同，即不同的礦物所含的物質不同，可通過相應的元素反映出來，元素錄井是在鉆井過程中，以井內返出的巖屑為試樣，利用X射線熒光儀對樣品進行分析，通過X射線熒光光譜分析獲得元素信息，通過反推，有效利用巖石中元素的差異性，通過分析鉆探過程中元素的變化，可以有效地指導鉆探。